护岸工程抛石粒径选择与崩滚层设计探讨

赵荣华

（山西省晋中市水利建筑工程总公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

汾河介休市义棠段河道治理工程施工03标护岸加固工程长769 m。该治理河段水下抛石工程量为6 978 m3，抛石过程主要受到水位、流速、流向等的影响较大，为保证施工质量和进度，主要采用挖机投石及振动碾压机压实，20 t 振动碾压机分层压实。

2 试验设计

2.1 试验模型

依据汾河介休市义棠段河道治理工程施工03标天然河道水流情况，选用几何比尺1∶25的正态水槽模型。所在河道河床基本为细沙质，粒径范围在0.05～0.25 mm，取中值粒径d50=0.20 mm。根据数次水槽起动流速试验结果，选用防腐处理的中值粒径0.80 mm、含水密实度1.12 t/m3的木屑模拟所在河道泥沙起动过程。结合该治理河段实际，设计出的试验水槽结构形式详见图1，水槽长20 m、宽2.50 m，左岸为定床，右岸和槽底为动床，中间1～5区属于试验段。

图1 水槽模型图

试验流速按照32～60 cm/s确定，相当于原型河道1.50～3 m/s的流速，通过粒径0.50～2.50 cm的天然碎石料模拟原型河道块石抛投。坡度按照1∶1.50、1∶2、1∶2.50、1∶3 三种设计，坡面块石分成均匀块石和级配块石两类。

2.2 块石受力分析

原型河道护岸块石在岸坡上受到块石自重、水流推力及托举力的共同作用，据此可以将泥沙颗粒滚动力矩平衡方程列示如下：

式中：FD—水流推力；FL—水流托举力；L1、L2、L3、L4—对应的力臂；W—块石重力；φ—泥沙颗粒运动向和下滑力向的夹角；λ—水流作用线和水平线的夹角；D—块石粒径；θ—坡度。

将汾河介休市义棠段河道治理工程施工03标所在河道岸坡相关参数代入式（1）并假设泥沙颗粒为等容粒径球体，所得到的块石粒径起动流速情况见图2。根据图中结果看出，坡比为1∶1.50 时粒径块石实际起动流速位于约2.50 m/s，其余坡比下块石起动流速均大于3 m/s；所以，在河岸坡度小于1∶2，流速均值不超出3 m/s时，粒径在0.20～0.50 m的护岸块石的稳定性不会受到水流作用的影响，也就是说近岸岸坡处的流速并非是造成护岸块石失稳的主要原因，抛石粒径才是影响护岸块石稳定的关键因素。

图2 不同坡比下块石起动流速与粒径的关系图

3 试验过程及结果

3.1 抛石粒径选择

抛石护岸工程中块石粒径的选择直接关系到工程施工质量，且根据大量工程实践，并非块石粒径越大护岸工程越稳定，抛石粒径要能满足抵御水下最大流速冲击的要求；级配适宜的抛石还会使覆盖层次增加、抛填体空隙率下降，增强护岸效果。一般根据各种粗泥沙起动经验公式计算抛石粒径下限，泥沙起动理论也主要考虑的是泥沙拖曳力作用，所以经验公式只在斜坡倾角小、流向与砂砾所在斜坡水平线交角十分接近0°或180°的情况下较为适用。汾河介休市义棠段河道治理工程施工03 标护岸工程兴建在崩塌较为严重的弯道凹岸，坡度陡且水流湍急，抛石稳定受到下滑力的影响较大；此外，弯道凹岸因存在横向环流，河床断面上垂线流速与泥沙起动理论中流速分布存在较大差异。故完全依照粗泥沙起动经验公式进行抛石粒径下限计算并不合理，必须分析斜坡上单个抛石块在极限平衡状态下的实际受力状况。

通过分析抛石块上的拖曳力、重力和摩阻力看出，块石粒径是抛投块石上所作用的流速与岸坡倾角的函数，还可以得出不同流速、坡度下块石粒径下限取值，具体见表1。在该河道治理工程抛石护岸设计过程中，按照表中数据进行抛投块石粒径下限值的确定科学合理。对岸坡实施单层抛石护岸并不安全，很容易形成漏抛空白区，引发水毁，为此，必须对坡面实施双层或多层抛投。考虑到抛石过程中块石无法均匀河道近岸区域，为保证全面覆盖，尽可能降低抛石体空隙，避免抛填区域下层泥沙被水流淘蚀，应至少覆盖三层块石。所以，块石粒径最大值应控制在抛投区设计厚度的1/3以内。

表1 抛投块石粒径下限值表 单位：cm

3.2 崩滚层设计

根据室内水工模型试验，抛石护岸工程施工完成后并非一劳永逸，岸坡护脚块石会率先向深槽处滑动，此后便间歇、挨次从下向上发展。类似工程抛石护岸旁氏声呐探测结果也验证了这一过程，破坏一般从坡脚处开始，故护脚质量及稳固性是确保护岸工程稳定的根本。所以，必须在该河道治理工程抛石区下部增设崩滚层，以便在坡脚遭受冲蚀后从原抛投区下滑出的块石能有效遮护遭到冲刷的坡脚，保证护岸工程安全稳定。

结合水工模型试验结果，岸坡护脚块石大部分均向下游滑动，且滑移偏角均不超出10°，仅少数块石向上游滑动；滑移后的块石所在位置基本仍为原横断面。崩滚层断面石方量为抛投区滑出的断面石方量和原位滞留的断面石方量之和。在崩滚层宽度为L0，厚度为D0，岸坡坡比为1∶m，抛投区外侧坡面遭受冲蚀后坡比为1：m1，最大冲深ΔH，冲刷坡面被滑移出抛投区的块石覆盖的宽度为L1，厚度为D1，仍然覆盖原断面的块石厚度为D′的情况下有：

根据变量之间的函数关系，可以得出：

将上式代入式（2）可以得出：

为保证抛石护岸安全稳定，工程效益充分发挥，必须满足：

结合以上对该河道治理工程抛石粒径的分析以及工程所在地石料供应情况，抛投块石粒径一般为25 cm，将相关参数代入式（4）和式（6）可以得出，该河道治理工程崩滚层宽度为36 m，厚度至少为1.50 m。

除采取以上处理措施外，该河道治理工程还应将坡脚防护措施调整为刚性防护，因为在这种防护形式下块石不会发生坍塌滑落，故护坡结构基本稳定，直到水工试验结束，护岸块石相对位置也基本不变，这也意味着抛石至深泓或坡脚处不可冲位置对于抛石护岸结构的稳定性十分必要。

4 结论

综上所述，河道治理工程岸坡立堵截流抛石粒径是影响岸坡抛投结构稳定性的关键性因素，且坡脚处泥沙更容易受到水流侵蚀和裹挟，坡脚淘蚀往往最为严重，且坡脚淘蚀后坡面块石会间歇性下滑并滚落至冲刷坑内。通过采取文中所提出的控制抛石粒径、设置崩滚层、采用刚性防护等措施，块石料滑移后出现空白区的可能性大大减小；即使出现空白区，从原抛投区下滑出的块石也能有效遮护受冲刷的坡脚，保证护岸工程安全稳定，使汾河介休市义棠段河道治理工程取得了较好的护岸治理效果。